坑底土体加固对深厚淤泥质土地铁深基坑安全的影响

王 燕,张 飞

(福建江夏学院 工程学院,福州 350108)

在软土地区进行基坑工程施工,由于开挖卸载和施工荷载使得基坑开挖不可避免地产生较大的变形,如若控制不当,将严重影响基坑本身的稳定及周边环境的安全[1-2]。近年来坑底土体加固在软土地区地铁深基坑工程中应用广泛,众多工程实践表明,坑底土体加固能够有效地控制基坑开挖引起的变形,从而达到控制基坑变形和保护周边环境的目的[3-4]。

坑底土体加固作为一种常见的控制基坑变形的措施,诸多学者对此进行了研究。谈亦帆等[5]在试验的基础上,采用数值模拟方法研究了坑底满堂加固形式下基坑内力和变形,并提出了合理的水泥掺入比;康志军等[6]采用数值分析方法研究了满堂加固和裙边加固对基坑变形的影响,并对两种加固措施进行了对比研究,提出过度增大加固土体割线模量对控制基坑变形影响不大;孙辉[7]采用PLAXIS3D有限元软件建立了二维数值模型,分析了加固土体力学参数的不同影响因素,提出内摩擦角是影响基坑变形的主要因素;朱志祥等[8]通过数值分析,提出三轴搅拌桩加固基坑坑底能够有效减少地连墙侧向变形和坑外地表沉降;夏梦然[9]对某实际基坑工程项目进行了数值模拟,提出软土地区基坑坑底注浆加固能够有效抑制地连墙侧向变形;冒千如等[10]对高压旋喷桩加固滨海地区软基沉降进行了分析;施成华等[11]基于非线性接触理论,研究了基坑上跨既有盾构隧道时基底纵向加固、横向抽条加固和格栅加固3种加固措施下隧道的变形及接头混凝土应力。但以上关于坑底土体加固的研究主要集中于加固方式、加固体的力学性能、加固效果以及适用条件,并未涉及到在深厚淤泥质土的地质条件下对坑底土体加固范围和加固深度及基坑整体稳定性的关注,而在深厚淤泥质土层进行基坑支护结构设计时,基坑变形和整体稳定性计算往往起控制作用[12]。此外,加固土体的物理力学参数主要依靠经验取值[13-14],并未对现场加固土体进行实测。然而,实际工程中坑底土体加固质量受施工质量影响很大,土体经加固扰动后,其力学特性也变得更为复杂,因此,依靠经验取值所进行的数值分析也会与工程实际存在差异。

基于此,本文结合福州地区某地铁车站深基坑工程,采用静力触探试验测定坑底土体加固前后锥尖阻力,进而获得加固土强度参数。在此基础上,采用ABAQUS有限元软件,建立基坑开挖数值模型,研究深厚淤泥质土层坑底土体加固置换率、加固深度对基坑工程变形及整体稳定性的影响,为类似工程设计施工提供参考。

图1 标准段基坑支护结构剖面

1 工程概况

本文所研究的基坑工程为福州地区某地铁车站深基坑工程项目,该项目基坑长约290.4 m,基坑标准段内净宽为20 m,标准段开挖深度为18.5 m。车站主体基坑围护体系采用地下连续墙+内支撑。地下连续墙800 mm厚,与内衬墙采用复合式结构形式,全包防水。车站标准段基坑沿深度方向设置4道支撑,第1道采用钢筋混凝土支撑,第2—4道采用钢支撑。其中,端头井段局部较长钢支撑采用φ800钢支撑,余下均采用φ609钢支撑,基坑设计安全等级为一级。中间标准段基坑支护结构剖面如图1所示。

该基坑采用明挖顺作法施工。根据该场地岩土工程勘察报告,基坑开挖范围土层主要以淤泥质土和淤泥加砂为主,工程性质较差。为减少基坑开挖阶段围护结构位移,提高车站底板所处地层的土体性质,标准段基坑范围内采用φ850@600三轴水泥搅拌桩在坑底以下3 m范围进行抽条加固,加固土宽度及间距分别为3 m。水泥搅拌桩加固土体采用42.5 MPa水泥,要求加固后土体28 d无侧限抗压强度qu≥1.0 MPa。

2 有限元分析

2.1 计算模型

由于中间标准段基坑形状和受力形式都较为规则,故本文基于ABAQUS有限元软件建立二维数值模型进行平面应变分析。为简化计算,对模型进行以下处理:①假设基坑内外土层匀质水平层状分布;②土体采用Mohr-Coulomb本构模型;③地下连续墙和内支撑采用线弹性本构模型;④不考虑地连墙施工和坑底加固对基坑土体的扰动;⑤为了保证数值分析结果的精确性,对重点分析区域地连墙及周边范围土体采用网格加密方式进行处理;⑥考虑到邻近堆载以及施工荷载,在距离地连墙20 m范围内,添加30 kN/m的均布荷载作为竖向应力约束。

为充分考虑基坑开挖的边界影响,模型尺寸取120 m(长)×90 m(深)。土层和地连墙均采用CPE8R单元,内支撑采用B21梁单元。计算模型左右边界单元节点添加法向位移约束;底部边界单元节点添加切向和法向位移约束;上表面边界自由。

基坑开挖深度范围内各土层物理力学参数参照该项目的地质勘察报告,加固土体力学参数根据静力触探试验所得锥尖阻力(表1)换算而成,其中,锥尖阻力与土体强度参数之间的转换参照文献[15-17]。最终各土体性质参数如表2所示。

表1 静力触探土层力学性能

表2 土层物理力学参数

2.2 计算结果验证

对基坑开挖过程进行数值模拟,根据实际监测数据及数值模拟结果,基坑开挖完成后某测点地连墙水平位移及地表沉降计算结果和监测结果如图2、图3所示。

从图2、图3可以看出:①地连墙水平位移加固计算值与实测数据基本吻合,地连墙侧向变形发展变化趋势基本一致。②地连墙实测位移最大值大于加固计算值,且位移最大值出现位置更加靠近坑底,分析原因在于有限元计算没有考虑基坑开挖完成后土体的塑性发展。③地表沉降呈明显的“凹槽型”分布,实测沉降最大值为-19.8 mm,比加固计算结果稍大,位于约0.95倍开挖深度处,与计算值相比发生位置更加靠近挡墙,但两者变化趋势基本一致。这表明:①与未加固工况相比,坑底土体加固能有效地控制基坑开挖引起的变形。②有限元模型参数选取合理,计算结果准确可靠,可为该基坑工程项目的进一步研究提供模型基础。

整体稳定性系数的计算基于有限元强度折减法确定,选取基坑内具有典型变化特征的点作为整体稳定判定节点,节点位移变化量和强度折减系数关系曲线转折最大处所对应的折减系数即为安全系数[18]。图4、图5分别给出了土体强度折减后极限状态下土体变形增量云图和土体变形矢量图。最终得到基坑整体稳定性安全系数Fs=2.48。本文所采用强度折减有限元计算结果的可靠性已在文献[19]中得到验证。

图4 极限状态下土体变形增量

图5 极限状态下土体变形矢量

3 对比工况分析

3.1 坑底抽条加固置换率影响

结合实际工程项目,以加固深度为3 m,对坑底土体进行抽条加固,研究坑底土体加固置换率(加固土体面积与坑底土体面积之比)对地连墙水平位移、坑外地表沉降、坑底土体隆起变形最大值及基坑整体稳定性的影响。

图6给出了基坑开挖至坑底时地连墙水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起变形最大值与加固置换率的关系曲线。总体来看,随着坑底土体加固置换率的增加,地连墙水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起变形量都在不断减小。在无加固工况下,地连墙水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起变形量分别为77.4,56.6,118.8 mm;当置换率从0%增加到100%时,地连墙水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起变形量分别减少为17.3,14.5,51.0 mm,说明在深厚淤泥质土层进行基坑工程施工坑底土体加固能够有效控制基坑变形。

当加固置换率取60%时,地连墙水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起变形最大值分别为21.7,16.8,54.5 mm,与无加固工况相比分别减少72%,70%,54%,减幅明显;当加固置换率从60%增加到100%后,三者变形虽然会进一步受到限制,但影响幅度显著减少,说明深厚淤泥质土地铁深基坑坑底土体加固存在加固比例限值,当坑底加固置换率超过60%后,基坑变形曲线变缓。

当坑底土体未采取加固措施时,地连墙最大水平位移、坑外地表最大沉降量分别为77.4,56.6 mm,均超过二级基坑变形控制标准74 mm(δhm≤0.4%H,且≤50 mm,其中,δhm为支护结构最大水平位移)、55.5 mm(δvn≤0.3%H,其中,δvn为坑外地表最大沉降量)。随着加固土置换率的提高,基坑变形位移值受到限制,当加固土置换率为40%时,地连墙最大水平位移、坑外地表最大沉降量分别为29.5,22.0 mm,达到一级基坑变形控制标准30 mm(δhm≤0.2%H,且≤30 mm)、27.8 mm(δvn≤0.15%H)。因此,福州深厚淤泥质土地铁深基坑安全等级为一级时,坑底土体抽条加固置换率在40%～60%较为经济合理。

图7 基坑整体稳定性与加固置换率关系曲线

不同坑底土体加固置换率下基坑整体稳定性安全系数分布规律如图7所示。总体来看,随着坑底加固置换率的增加,基坑整体稳定性安全系数近似呈“S”型增长趋势,当加固置换率从0%(无加固)增加到100%时,基坑整体稳定性安全系数由2.38增加至2.56。

当加固置换率超过30%以后,加固置换率对基坑整体稳定影响愈加显著,在30%～60%时,基坑整体稳定性安全系数近似线性增长。当加固置换率超过60%以后,基坑整体稳定性与加固置换率关系曲线趋于平缓,加固置换率对基坑整体稳定性的影响减弱,基坑整体稳定性安全系数曲线增长趋势变缓。因此,加固置换率处于30%～60%时,抽条加固对基坑整体稳定影响效果最好,效益最高。

3.2 坑底抽条加固深度的影响

采用宽3 m、间距3 m的水泥搅拌桩加固坑底土体,加固土深度与基坑开挖深度之比h/H分别取0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,研究抽条加固不同深度工况下的深厚淤泥质土地铁深基坑变形及对整体稳定的影响。

图8给出了基坑变形与抽条加固深度的关系曲线。由图8可以看出,坑底土体加固深度在5.6 m(0.3H)范围内,均有良好的抑制变形效果,能够有效减少地连墙水平位移、基坑底部隆起和坑外地表沉降。坑底土体加固深度在3.7 m(0.2H)左右可以减少基坑变形约75%,对变形控制较为严格时,可考虑采用5.6 m(0.3H)深的坑底加固。但加固深度大于5.6 m(0.3H)时,加固效果逐渐减弱,当加固深度超过7.4 m(0.4H)时,基坑变形趋于稳定,基本不再变化。上述研究表明坑底土体加固存在加固深度限值,在该加固深度限值范围内,随着加固深度增大,基坑变形减少幅度非常明显,基坑变形对加固深度变化敏感;超过该深度限值过度地增大坑底土体加固深度对基坑变形的影响不明显。综合上述研究,福州地区深厚淤泥质土地铁深基坑的加固深度建议取0.1H～0.4H,大于0.4H是不经济的。

不同抽条加固深度下基坑整体稳定性安全系数分布规律如图9所示。总体来看,随着坑底土体加固深度的增加,安全系数也不断增大。这是由于坑底土体加固有效抑制了基坑的内力变形,提高了基坑整体稳定性,这也与前面的研究成果相一致。

图9 基坑稳定性与加固深度关系曲线

当加固深度小于0.3H时,加固深度的增加对增大基坑整体稳定性的影响最为明显,近似呈线性增长。加固深度超过0.4H以后,基坑整体稳定性安全系数增长速率放缓,加固深度超过0.5H以后,基坑整体稳定性安全系数几乎不增长。因此,对于不能满足整体稳定要求的深厚淤泥质土基坑,增加坑底土体加固深度是一种有效的解决方法,但当加固深度超过0.5H以后效果不明显。综上所述,当坑底土体加固深度达到一定限值时,继续增大加固土体深度对控制基坑变形和提高整体稳定性影响甚微。在实际工程中,盲目加大坑底土体加固深度将造成浪费。

4 结论

本文针对福州深厚淤泥质土某地铁深基坑建立有限元分析模型,模拟基坑开挖过程,系统研究了坑底土体加固置换率、加固深度对基坑变形及整体稳定性的影响。主要结论如下:

1) 工程采取的坑底3 m范围三轴搅拌桩抽条加固土体措施有效控制了基坑变形,提高了基坑整体稳定性,未采取加固措施的数值分析结果不能满足基坑变形控制要求。

2) 福州深厚淤泥质土地铁深基坑安全等级为一级时,抽条加固中坑底土体加固置换率在40%～60%时,可以充分抑制基坑变形,减少地连墙水平位移、基坑底部隆起和坑外地表沉降。加固置换率处于30%～60%时,抽条加固对增大基坑整体稳定性效果最好。

3) 坑底土体抽条加固存在加固深度限值,福州深厚淤泥质土地铁深基坑坑底土体加固深度建议取0.1H～0.4H(H为基坑开挖深度),大于0.4H以后继续增大加固深度对控制基坑变形影响甚微。当加固深度小于0.3H时,基坑整体稳定性近似呈线性增长,加固深度超过0.5H以后,基坑整体稳定性曲线趋于平缓。